綠色水處理劑聚天冬氨酸緩蝕協同效應的研究
1 水處理緩蝕劑的發展與綠色化
供水系統的設備廣泛地采用碳鋼來制造, 一般
工業水對碳鋼具有強烈的腐蝕性。使用緩蝕劑是既
經濟又實用的防護措施, 對節水、節能降耗、保證
工業生產裝置安全穩定運行、發揮了十分重要的作
用, 冷卻水用緩蝕劑發展經歷了如下幾個階段: 鉻酸
鹽系列、亞硝酸鹽系列配方、( 聚) 磷酸鹽配方, 以及
鉬酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、鋅鹽, 膦系全有機配方、膦
羧( 磺) 酸全有機等系列配方。為了降低緩蝕劑在使
用過程中對環境和人類造成的危害, 人們開始有意
識地從源頭控制磷污染物的產生, 從而推動了低
磷、無磷配方的迅速發展, 低磷、無磷的綠色水處理
劑已成為國內外水處理劑研制方面的熱點課題。
無磷、生物可降解綠色緩蝕阻垢劑聚天冬氨酸和聚
環氧琥珀酸的開發, 表明綠色緩蝕阻垢劑已成為水
處理藥劑發展的方向。
同濟大學的張冰如、李風亭自2001 年以來, 利
用上海市教委曙光計劃開展了聚天冬氨酸合成與應
用的研究, 取得了成果, 并於2004 年獲得了上海市
科技進步二等獎。研究表明, 聚天冬氨酸對CaCO3、 CaSO42H2O、BaSO4、SrSO4 垢有極其優良的阻垢性
能, 是一種多功能的阻垢劑, 并具有一定的緩蝕性
能, 可與多種藥劑復配組成綠色配方( 無磷或低磷) ,
應用前景廣闊。
2 實驗方法
2.1 實驗藥劑
2.2 緩蝕性能測定
參照《中華人民共和國化工行業標準水處理
劑緩蝕性能的測定- 旋轉掛片法》HG/T2159-91,
在動態腐蝕測試儀上進行緩蝕性能實驗, 溫度
45℃, 轉速75r/min, 碳鋼試片: A3 碳鋼, 50mm×
25mm×2mm。實驗用水: 上海市自來水, 水質分析
見表2。
腐蝕速率按下式計算:
R=87600(W0-W1) / SDT
式中: R 腐蝕速率(mm/a) ;
W0 實驗前試片質量( g) ;
W1 實驗后試片質量( g) ;
S 試片表面積( cm2) ;
D 試片密度( g/cm3) ;
T 實驗時間( h) 。
緩蝕率按下式計算:
η=(R0- R) /R0×100
式中: R0 未加緩蝕劑時的試片腐蝕率;
R 加有緩蝕劑時的試片腐蝕率。
2.3 極化曲線測試
采用恒電位法測定極化曲線。實驗儀器主要有
PS-168C 型電化學測量系統、鹽橋、碳鋼工作電極、
飽和甘汞電極和鉑電極。
3 結果與討論
3.l 聚天冬氨酸PASP 對碳鋼的緩蝕作用
圖1 是單獨用PASP 時對碳鋼的緩蝕作用。結
果表明, PASP 在較低用量時對碳鋼即具有一定的緩
蝕作用, 但緩蝕率較低。隨著PASP濃度的增加緩蝕
作用增強, 碳鋼的腐蝕速率逐漸降低, 緩蝕率增大,
但要達到較好的緩蝕效果, 所需的PASP 的質量濃
度較高。從圖中可看出PASP的用量在150mg/L 時,
緩蝕效率可達到81.36%以上, 腐蝕速率<0.25mm/a;
PASP 的用量在250mg/L 時, 緩蝕效率可達到
86.51% 以上, 腐蝕速率<0.20mm/a。
這些實驗數據說明PASP 具有明顯的緩蝕作用。
3.2 PASP 與HEDP、Zn2+ 組成的二元體系對碳鋼的緩蝕協同作用
為了研究PASP、HEDP、Zn2+兩兩相互間的緩蝕
協同效應, 測試了不同用量的PASP 與HEDP、PASP與Zn2+、HEDP 與Zn2+分別組成的二元體系對碳鋼的
緩蝕性能, 如圖2、3、4 所示。此二元體系中藥劑的總
濃度為24mg/L, 從圖中可以看出:
( 1) 在PASP、HEDP、Zn2+之間任意兩種組分組
成的二元體系中, 其二元體系的組成與腐蝕率的關
系曲線都呈凹形, 說明PASP 與HEDP、PASP
與
Zn2+、HEDP 與Zn2+對碳鋼的緩蝕都或多或少地存在
著協同效應。
( 2)PASP在單獨使用時,其濃度為24mg/L的緩蝕率幾乎為零, 而與HEDP 或Zn2+聯合使用后, 緩蝕
率有不同程度的增加。從圖2 中看出PASP 與
HEDP 的二元體系中, 當PASP與HEDP 的配比為
1: 5( 4mg/L 的PASP和20mg/L 的HEDP) 時, 緩蝕效
果最好, 對碳鋼的腐蝕速率為0.0670mm/a, 緩蝕率
為94.60%, 說明PASP 與HEDP 有一定的緩蝕協同
效應。而PASP與Zn2+組成的二元體系中, 當20mg/L
的PASP 和4mg/L 的Zn2+配合時, 其緩蝕效果最好,
對碳鋼的腐蝕速率為0.0105mm/a, 緩蝕率為
99.15%, 說明PASP 與Zn2+有很好的緩蝕協同效應。
( 3) 單獨的HEDP 對碳鋼的緩蝕性能很好, 但
由于含磷, 應盡量減少其用量。單獨的Zn2+緩蝕效果
較差, 如24mg/L 的Zn2 + 對碳鋼的腐蝕速率為
1.1425mm/a, 緩蝕率僅為5.93%。與PASP
配合使用
后, 其緩蝕效果有明顯提高, 顯示出緩蝕協同效應。
3.3 PASP、HEDP、Zn2+ 組成的三元體系對碳鋼的緩
蝕協同作用.
從3.2 中我們知道PASP、HEDP、Zn2+這三種成
分中兩者之間均存在協同效應, 因此當它們構成三
元體系時, 理論上應該有更好的緩蝕協同效應。由于
鋅對水生生物有毒性, 排放標準為小于5mg/L, 所以
在循環冷卻水中投加過多將會受到排放標準的限
制, 必須采用低鋅配方。因此在PASP、HEDP、Zn2+組
成的三元體系中, 我們把鋅的濃度控制在2mg/L, 組
成的三元體系對碳鋼的緩蝕協同效應的實驗, 結果
如表3 所示, 藥劑的總濃度仍為24mg/L。
從表3 可以看出:
( 1) 在總藥劑濃度不變、Zn2+的濃度在2mg/L 的
情況下, PASP、HEDP、Zn2+ 組成的三元體系, 具有更
好的緩蝕協同效應。
( 2) 在PASP、HEDP、Zn2+ 組成的三元體系中,PASP 與HEDP的配比在相當寬的范圍內, 其腐蝕率<0.05mm/a, 達到比較好的緩蝕水平。說明該PASP、HEDP、Zn2+三元體系具有更顯著的緩蝕協同效應。
3.3 極化曲線分析
圖5 是24mg/L 聚天冬氨酸及其復配物在自來
水中的極化曲線圖, 可看出, 加入聚天冬氨酸后自腐
蝕電位向正移, 且陽極極化曲線的斜率增大, 故屬于
陽極型緩蝕劑; 與HEDP和鋅離子復配后, 自腐蝕
電位基本與單獨使用PASP 的電位重合, 且較空白
試樣正移, 因此該復合緩蝕劑屬陽極型緩蝕劑, 該極
化曲線的陰極極化有所加強, 因此緩蝕率增大。
4 結論
( 1) PASP、分別與HEDP
和Zn2+ 組成的二元體
系, 對碳鋼具有緩蝕協同效應。
( 2) PASP、HEDP、Zn2+兩兩之間, 對碳鋼均有緩
蝕協同效應, 它們組成的三元體系在更寬的范圍內,
具有更顯著的緩蝕協同效應, 在本實驗條件下其腐
蝕率<0.05mm/a, 達到比較好的緩蝕水平。
( 3) PASP、HEDP、Zn2+ 的三元體系具有明顯的
緩蝕協同效應, 如果能加強這種緩蝕協同效應, 就可
使由PASP、HEDP、Zn2+為組成的復合藥劑的緩蝕效
應更好, 且使用量減少。
( 4) PASP 與HEDP 復配可組成低磷配方, 例如
本實驗條件下當藥劑組成為PASP( 18mg/L) 、HEDP( 4mg/L) 、Zn2+( 2mg/L) 時, 磷含量<1.2mg/L, 腐蝕率<
0.05mm/a, 緩蝕性能優良, 屬于低磷水處理配方。
( 5) PASP 具有一定的緩蝕效果, 與其它藥劑復
配組成綠色配方( 無磷或低磷) , 具有較好的協同效
應, 緩蝕性能優良, 將有廣泛的應用前景。
